DE102010026404A1

DE102010026404A1 - Elektrischer Hilfsantriebsmotor für ein Fahrrad

Info

Publication number: DE102010026404A1
Application number: DE201010026404
Authority: DE
Inventors: Michael Bogner; Markus Neubauer
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2010-07-07
Filing date: 2010-07-07
Publication date: 2012-01-12
Also published as: WO2012004040A1

Abstract

Die Erfindung umfasst einen Hilfsantriebsmotor (01) für ein Fahrrad mit einem Stator (05) und mit einem Rotor, die beide in einem Gehäuse (08) angeordnet sind. Der Stator (05) ist mittels des Gehäuses (08) mit einem Fahrradrahmen (04) verbindbar. Der Rotor ist durch Permanentmagneten (09) gebildet. Erfindungsgemäß ist der Rotor mit einem rotierbaren Teil eines Standard-Tretlagers des Fahrrades verbindbar.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft einen elektrischen Hilfsantriebsmotor für ein Fahrrad gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Gattungsgemäße Hilfsantriebsmotoren für Fahrräder sind aus dem Stand der Technik bereits seit vielen Jahren bekannt. Durch einen solchen Hilfsantriebsmotor kann für ein herkömmliches Fahrrad eine Tretunterstützung oder ein tretunabhängiger Zusatzantrieb bereitgestellt werden.
Als Hilfsantriebsmotoren für Fahrräder werden häufig Gleichstrommotoren verwendet. Dies können kommutatorlose oder bürstenbehaftete Motoren sein, die für den Direktantrieb geeignet sind. Permanent erregte Synchronmaschinen eignen sich sehr gut als Radnabenmotoren. Bürstenbehaftete Motoren mit einem Getriebe sind ebenso einsetzbar. Die Kohlen der Motoren mit Kohlebürsten unterliegen allerdings einem gewissen Verschleiß, wodurch sich der Wartungsaufwand erhöht. Die ebenfalls wartungsfreien Wechselstromasynchronmotoren finden selten Verwendung.
Derzeit werden Radnabenmotoren für das Vorder- oder Hinterrad oder Tretlagermotoren am häufigsten verwendet. Die Radnabenmotoren bieten den Vorteil, dass eine Rekuperation, d. h. eine Energierückspeisung beispielsweise bei Bergabfahrt erfolgen kann. Die Tretlagermotoren haben den Vorteil, dass sie direkt auf das Antriebskettenrad wirken und damit über die am Fahrrad ohnehin vorhandene Schaltung in einem größeren Drehmomentbereich wirksam werden können.
Die DE 697 29 611 T2 zeigt beispielsweise einen Tretlagermotor, der über ein Untersetzungsgetriebe an der Tretlagerwelle angreift. Alle Komponenten der Antriebseinheit, also Elektromotor, Reduktionsgetriebe, Drehmomentsensor, Geschwindigkeitssensor und Steuerungsschaltung des Elektromotors sind in einem Kasten integriert. Hierfür ist eine spezielle Rahmenkonstruktion erforderlich.
Die EP 2 143 628 A1 zeigt einen nachrüstbaren Tretlagermotor, der über ein Motorritzel und Getriebe auf das Kettenblatt wirkt. Zur Montage dieses Motors muss das gesamte Tretlager ausgetauscht werden.
Bei den bisher bekannten Elektrofahrrädern und Pedelecs werden meist spezielle Rahmenkonstruktionen verwendet, um die benötigten Komponenten, insbesondere den Akkumulator unterzubringen.
Aus der DE 197 37 568 C1 ist ein Fahrrad mit einem elektrischen Hilfsantrieb bekannt, der als Radnabenmotor des Vorderrades ausgestaltet ist. Der Elektromotor ist mit einer Ansteuerelektronik und einer Antriebsbatterie über Kabel verbunden. Die Ansteuerelektronik ist weiterhin mit einem Bewegungssensor über Kabel elektrisch verbunden, mit dem Bewegungssensor wird die Bewegung des Pedalantriebes erfasst. Damit kann der Motor in Abhängigkeit von einer Tretbewegung der Fahrradpedale gesteuert werden.
Bei der Verwendung eines Radnabenmotors muss jeweils zumindest ein Rad an einem herkömmlichen Fahrrad komplett ersetzt werden und Kabel zur Motorsteuerung und Stromversorgung des Motors müssen verlegt werden. Außerdem erweist sich die Kabelführung zum Akkumulator und der Steuer-/Bedienschaltung als relativ aufwändig.
Aus der DE 10 2006 003 736 A1 ist eine nachrüstbare Antriebseinheit für Fahrräder bekannt. Die Einheit umfasst eine elektrische Spannungsquelle und einen Elektromotor und ist auf alle gängigen Fahrräder montierbar und zwar im Bereich der Achse des Hinterrades an der der Kette gegenüberliegenden Seite seitlich neben dem Hinterrad. Der an einem Gestell am Rahmen befestigte Elektromotor überträgt sein Drehmoment mittels eines Zahnriemens auf einen an den Speichen des Hinterrades angebrachten zusätzlichen Antriebskranz. Durch die Befestigung des Antriebskranzes an den Speichen passt dieser auch auf Räder mit unterschiedlichen Naben oder Schaltungen. Die Antriebsleistung des Motors ist dabei von der Gangschaltung am Fahrrad entkoppelt.
Aus der DE 195 22 419 A1 ist ein Fahrrad mit einem Hilfsantrieb bekannt, welcher als Tretlagermotor ausgeführt ist. Der Stator des Elektromotors ist im Bereich des Tretlagers angeordnet, der Rotor am vorderen Kettenrad. Die vorhandene Tretlagerpatrone des Fahrrades wird dabei gegen eine Einheit ausgetauscht, die sowohl den Stator des Elektromotors mit den Spulenwicklungen als auch eine Tretlagereinheit aufweist. Das konventionelle Kettenrad mit Kurbelstern und Pedalkurbeln wird gegen eine Einheit mit einem Läufer des Elektromotors und einem Kettenrad mit Pedalkurbeln ausgetauscht. Dabei besteht der Rotor (Kettenblatt) aus einem Permanentmagneten. Es kann jedoch alternativ auch ein Rotor mit Wicklungen und Bürsten vorgesehen sein.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen nachrüstbaren Antriebsmotor für ein Fahrrad bereitzustellen, der ohne größere Umbauarbeiten an jedem herkömmlichen Fahrrad verwendet werden kann. Der nachrüstbare Hilfsantriebsmotor soll dabei besonders robust und wartungsarm sowie einfach und damit preiswert herstellbar sein.
Die Lösung dieser Aufgabenstellung gelingt durch einen elektrischen Hilfsantriebsmotor mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
Ein erfindungsgemäßer Hilfsantriebsmotor für ein Fahrrad umfasst einen Stator und einen Rotor, welche beide in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet sind. Der Stator ist mittels des Gehäuses mit einem herkömmlichen Fahrradrahmen verbindbar. Der Rotor ist durch Permanentmagneten gebildet und erfindungsgemäß mit einem rotierbaren Teil eines Tretlagers verbindbar.
Die Vorteile der Erfindung sind insbesondere darin zu sehen, dass die Verwendung des Hilfsantriebsmotors an jedem herkömmlichen Fahrrad ohne den Austausch eines oder mehrerer Komponenten möglich ist. Weiterhin ist es als vorteilhaft anzusehen, dass durch die Anordnung des Hilfsantriebsmotors am Tretlager des Fahrrades ein besonders guter Wirkungsgrad des Motors in Verbindung mit der am Fahrrad vorhandenen Schaltung erreicht werden kann.
Im Falle des Verzichts auf ein eigenes Getriebe, ist der Hilfsantriebsmotor vergleichsweise leicht, was bei Fahrrädern ein wichtiger Aspekt ist.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist der Hilfsantriebsmotor ein Scheibenläufermotor, dessen Rotorscheibe durch ein oder mehrere Permanentmagneten gebildet ist, welche axial gegenüberliegend des Stators angeordnet sind. Die Dimensionierung eines solchen Motors hinsichtlich Polpaarzahl, Statorwicklung und Rotorgestaltung ist dem Fachmann bekannt.
In dieser besonders bevorzugten Ausführungsform sind der bzw. die Permanentmagneten auf einem im Gehäuse rotierbar gelagerten Rotorblech montiert, welches gleichzeitig einen magnetischen Rückschluss über das Gehäuse bildet. Das Rotorblech bildet gemeinsam mit dem Gehäuse eine in sich abgeschlossene Hilfsantriebsmotoreinheit.
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform ist der Rotor direkt mit dem Kettenblatt des Tretlagers verbindbar. Dazu weist das Rotorblech mehrere über den Umfang verteilte Zapfen auf, über die das Rotorblech mit dem herkömmlichen Kettenblatt des Fahrrads verbindbar ist.
Es ist aber ebenso möglich, zwischen Rotor und Kettenblatt ein Getriebe, beispielsweise ein Planetengetriebe vorzusehen.
Bei der Montage dieser Ausführungsform muss zunächst das Kettenblatt mit der daran befestigten Tretkurbel von der Tretlagerwelle entfernt werden, anschließend wird der ringförmige Hilfsantriebsmotor mittels des Gehäuses am Rahmen befestigt und dabei konzentrisch mit der Tretlagerwelle ausgerichtet. Anschließend wird das Kettenblatt wieder aufgesetzt und mit dem Rotor verbunden.
Gegebenenfalls muss ein modifiziertes Kettenblatt verwendet werden, bei welchem spezielle Befestigungsstellen für die Zapfen vorgesehen sind.
Um die Permanentmagneten vor Verschmutzung zu schützen, wird vorzugsweise eine Bürstendichtung zwischen Kettenblatt und Rotor eingesetzt, die außerdem zur Reinigung der Kette und Versorgung der Kette mit Schmierstoff dient.
Das Gehäuse des Hilfsantriebsmotors kann über eine Klemmung oder Verschraubung am Fahrradrahmen befestigt werden. Dabei sollte selbstverständlich in bekannter Weise eine Drehmomentstütze realisiert werden.
In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann der Rotor auch mit einer Tretlagerwelle als rotierendes Teil des Tretlagers verbunden werden. Dazu könnte der Hilfsantriebsmotor an der dem Kettenblatt gegenüberliegenden Seite des Fahrradrahmens angeordnet werden und in geeigneter Weise eine Verbindung zur Tretlagerwelle geschaffen werden. Gehäuse bzw. Rotorblech müssen dazu entsprechend angepasst werden.
Vorteilhafterweise umfasst der Hilfsantriebsmotor weiterhin einen Sensor zur Erfassung des auf die Tretkurbel einwirkenden Drehmomentes und eine Steuer-/Regeleinheit zur Steuerung der Leistungsabgabe des Motors in Abhängigkeit des eingebrachten Drehmomentes. Solche Steuerungen sind bereits auf verschiedene Weisen realisiert, die dem Fachmann bekannt sind, sodass hier auf eine nähere Beschreibung verzichtet werden kann. Vorteilhafterweise ist die Steuerungs- bzw. Regelungselektronik in das Gehäuse integriert.
Selbstverständlich muss der Akkumulator an einem geeigneten Platz, beispielsweise am Sitzrohr, Unterrohr oder Gepäckträger angebracht werden.
Außerdem ist zu beachten, dass wegen der direkten Kopplung von Tretlagerwelle und Rotor eine Rücktrittbremse am Fahrrad entweder nicht vorgesehen wird oder im Fall des Stillstands bzw. der gegensinnigen Drehung der Tretlagewelle der Motor durch geeignete Maßnahmen (Freilauf, Stromlosschalten) geschützt wird.
Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert.
Es zeigt:
1: eine Längsschnittdarstellung eines erfindungsgemäßen Hilfsantriebsmotors entlang einer Tretlagerachse.
1 zeigt eine Schnittdarstellung eines erfindungsgemäßen Hilfsantriebsmotors 01 entlang einer Tretlagerachse 02 eines Fahrrades. Der Hilfsantriebsmotor 01 ist mittels einer Verschraubung 03 an einem herkömmlichen Fahrradrahmen 04 befestigt. Die Befestigung erfolgt vorzugsweise an einem Unterrohr oder an einem Sitzrohr des Fahrradrahmens.
Dabei ist der ringförmig gestaltete Hilfsantriebsmotor 01 konzentrisch mit der Tretlagerachse 02 angeordnet.
Der Hilfsantriebsmotor 01 umfasst einen Stator 05 mit mehreren über den Umfang verteilten Statorpolen 06 und darauf angeordneten Statorwicklungen 07.
Der Stator 05 ist in einem im Wesentlichen ringförmigen, topfartigen Gehäuse 08 angeordnet. Das Gehäuse 08 ist aus einem magnetisch leitenden Werkstoff gefertigt, um den magnetischen Rückschluss des Motors zu bilden.
Der Rotor wird durch mehrere Permanentmagneten 09 gebildet, welche auf einem rotierbar im Gehäuse gelagerten Rotorblech 11 befestigt sind. Das Rotorblech 11 ist vorzugsweise über ein Wälzlager 12 im Gehäuse 08 rotierbar gelagert.
Das Rotorblech 11 ist vorzugsweise mittels Zapfen 13 mit einem Kettenblatt 14 – vorzugsweise formschlüssig – drehfest verbunden. Das Kettenblatt 14 ist in bekannter Weise auf einer Tretlagerwelle 16 angeordnet, welche in einem Tretlager 17 rotierbar gelagert ist.
Mit dem Kettenblatt 14 fest verbunden ist außerdem eine Tretkurbel 18, mittels der der Antrieb des Kettenblattes 14 durch Muskelkraft in herkömmlicher Weise erfolgen kann. Auf dem Kettenblatt 14 läuft eine Kette 19, mit der das Drehmoment auf das Abtriebsritzel vorzugsweise des Hinterrades übertragen wird.
Vorteilhafterweise ist eine Bürstendichtung 21 jeweils zwischen dem Gehäuse 08 und dem Kettenblatt 14 vorgesehen. Die Bürstendichtungen 21 schützen einerseits die Statorwicklung 07 und die Permanentmagnete 09 vor Verschmutzung und dienen andererseits zur Reinigung der Kette 19 und der Versorgung der Kette 19 mit Schmierstoff.
Es können auch andere, dem Fachmann bekannte Dichtungen, wie beispielsweise Spaltdichtungen oder Labyrinthdichtungen verwendet werden.
Bezugszeichenliste

01: Hilfsantriebsmotor
02: Tretlagerachse
03: Verschraubung
04: Fahrradrahmen
05: Stator
06: Statorpol
07: Statorwicklung
08: Gehäuse
09: Permanentmagnet
10: -
11: Rotorblech
12: Wälzlager
13: Zapfen
14: Kettenblatt
15: -
16: Tretlagerwelle
17: Tretlager
18: Tretkurbel
19: Kette
20: -
21: Bürstendichtung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 69729611 T2 [0005]
EP 2143628 A1 [0006]
DE 19737568 C1 [0008]
DE 102006003736 A1 [0010]
DE 19522419 A1 [0011]

Claims

Elektrischer Hilfsantriebsmotor (01) für ein Fahrrad mit einem Stator (05) und mit einem Rotor, die beide in einem Gehäuse (08) angeordnet sind, wobei der Stator (05) mittels des Gehäuses (08) mit einem Fahrradrahmen (04) verbindbar ist und der Rotor einen oder mehrere Permanentmagneten (09) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor mit einem rotierbaren Teil (14, 16, 18) eines Standard-Tretlagers (17) des Fahrrades verbindbar ist.
Hilfsantriebsmotor (01) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass er ein Scheibenläufermotor ist, bei dem eine Rotorscheibe durch einen oder mehrere Permanentmagneten (09) gebildet ist, der axial gegenüberliegend des Stators (05) angeordnet ist.
Hilfsantriebsmotor (01) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Permanentmagnet (09) auf einem rotierbar gelagerten Rotorblech (11) montiert ist, das gleichzeitig einen magnetischen Rückschluss über das Gehäuse (08) bildet.
Hilfsantriebsmotor (01) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das rotierbare Teil ein Kettenblatt (14) ist.
Hilfsantriebsmotor (01) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Kettenblatt (14) über mehrere über den Umfang verteilte Zapfen mit dem Rotorblech formschlüssig verbindbar ist.
Hilfsantriebsmotor (01) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Bürstendichtung (21) zwischen dem Kettenblatt (14) und dem Gehäuse (08) vorgesehen ist.
Hilfsantriebsmotor (01) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Drehmomentstütze zwischen dem Gehäuse (08) und dem Fahrradrahmen angeordnet ist.
Hilfsantriebsmotor (01) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der rotierbare Teil eine Tretlagerwelle oder Tretkurbel ist.
Hilfsantriebsmotor (01) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass er einen Sensor zur Erfassung des Drehmomentes und eine Steuereinheit zur Steuerung der Leistungsabgabe in Anhängigkeit des Drehmomentes umfasst.
Fahrrad, dadurch gekennzeichnet, dass es einen nachrüstbaren Hilfsantriebsmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 9 umfasst.